EP2317576A2 - Verfahren zum Herstellen eines Seebeckschenkelmoduls - Google Patents

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EP2317576A2
EP2317576A2 EP10186544A EP10186544A EP2317576A2 EP 2317576 A2 EP2317576 A2 EP 2317576A2 EP 10186544 A EP10186544 A EP 10186544A EP 10186544 A EP10186544 A EP 10186544A EP 2317576 A2 EP2317576 A2 EP 2317576A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
adjusting means
predetermined number
legs
sea
comb
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10186544A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2317576A3 (de
Inventor
Joerg Offterdinger
Klaus Voigtlaender
Reinhold Danner
Martin Zywietz
Markus-Alexander Schweiker
Roland Scheuerer
Ulrich Goebel
Lothar Schmidt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2317576A2 publication Critical patent/EP2317576A2/de
Publication of EP2317576A3 publication Critical patent/EP2317576A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80—Constructional details
    • H10N10/81—Structural details of the junction
    • H10N10/817—Structural details of the junction the junction being non-separable, e.g. being cemented, sintered or soldered
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/01—Manufacture or treatment

Definitions

  • the invention is based on a method for producing a sea bucket leg module according to the preamble of independent claim 1.
  • Embodiments of the sea bucket leg module produced by the method according to the invention can be used as a function of the working temperature, for example in a thermoelectric generator and / or in a Peltier element module.
  • thermoelectric generator in order to obtain power for the vehicle electrical system from a hot exhaust gas stream by utilizing the Seebeck effect, thereby increasing the overall efficiency of the internal combustion engine drive.
  • many pairs of thermocouples are to be electrically connected in series, thermally coupled and mechanically fastened.
  • the individual elements of each thermocouple are hereinafter referred to as "Seebeckschenkel", wherein each thermocouple two legs are required with different pronounced Seebeck effect.
  • a composite with a given number of such pairs of thermocouples is referred to as a seabed leg module.
  • the substrates consist of an electrically insulating material at least on their sides facing the Peltier elements and are provided on these surface sides with contact surfaces formed by metallic regions, with which the Peltier elements be connected during production with connection surfaces.
  • the production of the Peltier modules in such a way that a suitably produced Peltier wafer is divided into individual Peltier elements and these elements are then attached to the contact surfaces of the ceramic substrates via one of the compounds such that provided on the relevant compound at each contact surface a Peltier element is on all contact surfaces each of a ceramic substrate in each case in the same electrical orientation or with the same pole.
  • the inventive method for producing a Seebeckschenkelmoduls with the features of independent claim 1 has the advantage that a Seebeckschenkelmodul contacted with a predetermined number of arranged between two ceramic carriers sea shelf legs in a single operation with each other or are connected. This means that the respective sea plane legs are respectively contacted or connected via a corresponding contact layer simultaneously with contact surfaces of metallic connectors of a first and a second ceramic carrier.
  • the ceramic carriers consist at least on their sides facing the legs of the sea, of an electrically insulating material on which the metallic connectors are arranged.
  • the first ceramic carrier with the metallic connectors is inserted into a workpiece holder and equipped with the predetermined number of Seebeckschenkeln on which the second ceramic carrier is placed with the metallic connectors, wherein between the individual Seebeckschenkeln and the first and second ceramic carrier material for Formation of Maisier Anlagenen introduced becomes.
  • the workpiece holder equipped with the ceramic carriers and the predetermined number of sea plane legs of the sea belt leg module is introduced into a corresponding device in which all contact layers of the sea belt leg module are completed in a single manufacturing process.
  • Embodiments of a sea plane leg module produced by the method according to the invention can be used as a function of the working temperature, for example in a thermoelectric generator and / or in a Peltier element module.
  • Embodiments of the invention make contact with sea lug legs that can be contacted metallically on the front sides with the metal connectors designed as bridges in a low-resistance manner, thereby electrically connecting them in series.
  • the various metallic connectors are electrically insulated from each other and to the "top” and “bottom", wherein the electrical insulation is thermally well conductive.
  • the metallic connectors may be applied to the ceramic substrates via a standard thick film technique, such as screen printing.
  • the respective Seebeckschenkelmodul is operated in a thermoelectric generator on the hot side typically at about 600 ° C and on the cold side at about 100 ° C. The possible operating temperature of the hot side of the thermoelectric generator is dependent on the materials used for the Seebeckschenkel.
  • the contacting layers of the sea plane leg module can be produced in the corresponding device, for example by sintering.
  • the Seebeckschenkel be electrically, mechanically and thermally connected to the ceramic carriers.
  • the contacting layers of the sea plane leg module can be manufactured in the corresponding device by soldering.
  • the soldering process can, for example, in a continuous furnace or by a contact soldering be executed.
  • the heating surfaces can be machined to the desired distance, so that the thickness of the Seebeckschenkelmoduls is very well defined.
  • the contact soldering can be carried out quickly, since the heat transfer takes place by a contact and not by gas as in the continuous furnace.
  • the surfaces of the metallic connectors and / or the seabed legs are finished prior to introduction into the workpiece holder in order to improve the electrical and / or thermal properties in an advantageous manner.
  • the Seebeckschenkel the Seebeckschenkelmoduls can be provided pre-equipped in a corresponding magazine and inserted together in the workpiece holder to accelerate the loading of the workpiece holder with all Seebeckschenkel of the Seebeckschenkelmoduls.
  • the loading of the Seebeckschenkel can be done sequentially with known from the SMD assembly standard placers.
  • the adjusting means are used as an auxiliary tool only for the manufacturing process and subsequently removed from the Seebeckschenkelmodul.
  • the adjusting means are designed, for example, as comb-like sheet metal plates, which can be pulled out of the sea bucket module simply and quickly after the production process.
  • the prongs of the adjusting means are formed slightly narrower than the desired distance of the Seebeckschenkel, wherein at least two adjusting means are arranged at an angle of 90 ° to each other and in the z-direction above the other, and wherein the two comb-like Adjusting means are mechanically displaced in the x and / or y direction to align the Seebeckschenkel the Seebeckschenkelmoduls.
  • the comb-like adjusting means are each formed of two superimposed comb-like sheet metal plates, the tines are formed slightly narrower than the desired distance of the Seebeckschenkel, wherein the two comb-like sub-plates of the respective adjusting means are mutually displaceable.
  • the partial plates are slightly shifted against each other, so that the position of the Seebeckschenkel can be narrowed thereby more accurate.
  • both partial plates are exactly on top of each other, so that the tines are narrowed and can be easily moved. As a result, a clamping tendency of the adjusting means can be reduced in an advantageous manner.
  • Fig. 1 comprises a Seebeckschenkelmodul 1, depending on the operating temperature, for example in a thermoelectric Generator and / or can be used in a Peltier element module, a predetermined number of disposed between two ceramic supports 16 seabed legs 10, wherein the ceramic support 16 at least on their sides facing the Seebeckschenkeln 10 made of an electrically insulating material and on these sides with metallic connectors 12th formed contact surfaces are provided, which are connected via a contacting layer 14 with the respective seabed leg 10.
  • the metallic connectors 12 may be formed by, for example, a DBC (Direct Bonded Copper) method or by standard silver and nickel plating or copper plating methods.
  • DBC Direct Bonded Copper
  • a first ceramic carrier 16 is inserted with the metallic connectors 12 in a workpiece holder and equipped with the predetermined number of Seebeckschenkeln 10 for producing the Seebeckschenkelmoduls 1.
  • a second ceramic support 16 is placed with the metallic connectors 12, 16 between the individual Seebeckschenkeln 10 and the respective contact surfaces of the metallic connector 12 of the first and second ceramic support 16 material for forming the Maisier harshen 14 is introduced.
  • the loaded with the ceramic carriers 16 and the predetermined number of Seebeckschenkeln 10 of the Seebeckschenkelmoduls 1 workpiece holder is inserted into a corresponding device in which all contact layers 14 of the Seebeckschenkelmoduls 1 are completed in a single corresponding manufacturing process.
  • the Kunststoffier Anlagenen 14 of the Seebeckschenkelmoduls 1 can be prepared for example by sintering and / or by soldering.
  • the sintering process and / or soldering process can be carried out in a continuous furnace.
  • the soldering process may be performed by a contact soldering device.
  • the heating surfaces can be machined to the desired distance, so that the thickness of the module is very well defined.
  • the soldering process can be carried out quickly, since the heat transfer takes place by a contact and not by gas as in the continuous furnace.
  • sintered materials or brazing materials may be disposed between the seabed legs 10 and the metallic connectors 12 to form the contact layers 14.
  • the surfaces of the metallic connectors 12 and / or the seabed legs 10 may be finished prior to insertion into the workpiece fixture to improve the electrical and / or thermal properties of the bond.
  • the loading of the workpiece holder, not shown with the predetermined number of Seebeckschenkeln 10 of the Seebeckschenkelmoduls 1 can be done with standard plugs, which are used in a known manner for the SMD assembly, for example, sequentially.
  • the predetermined number of sea legs 10 of the sea bucket leg module 1 can also be pre-equipped provided in a corresponding magazine and then populated at the same time.
  • the inserted into the workpiece holder adjustment means 20, 30 form a matrix with openings for the predetermined number of Seebeckschenkeln 10 of the Seebeckschenkelmoduls 1 from.
  • the adjusting means 20, 30 are designed as comb-like metal plates, which are pulled out of the sea bucket leg module 1 after the manufacturing process.
  • tines 22, 32 of the adjusting means 20, 30 are slightly narrower than the desired distance of the Seebeckschenkel 10, wherein in the illustrated embodiment, two running as a comb-like metal plates adjustment means 20, 30 are arranged at an angle of 90 ° to each other and in the z-direction above the other.
  • the two comb-like adjusting means 20, 30 can be moved mechanically in the x and / or y direction in order to align the seabed legs 10 accordingly.
  • the only manufacturing process of the contact layers 14 of the sea bucket leg module 1 takes place in a single device.
  • the lower ceramic carrier 16 is printed with solder paste and inserted into the workpiece holder.
  • the adjusting means 20, 30 designed as comb-like sheet-metal plates are pushed together, so that the matrix is formed with openings for the seabed legs 10 and is correctly adjusted above the lower ceramic support 16.
  • Anschlie ⁇ end the predetermined number of sea legs 10 of the sea bass module 1 is inserted into the openings, wherein the loading of the Seebeckschenkel 10 can be made sequentially with known from the SMD assembly standard placers.
  • the predetermined number of Seebeckschenkeln the Seebeckschenkelmoduls to accelerate this step can also be pre-equipped in a corresponding magazine provided and equipped at the same time.
  • the upper ceramic support 16 is printed with solder paste and rotated over the head placed on the Seebeckschenkel 10.
  • heated metallic stamps are brought into contact with the ceramic carriers 16 from above and below, thereby soldering the individual components together in a single manufacturing process, wherein the desired distance can be ensured via a stop system.
  • the duration of the soldering process with heating and cooling is low because of the contact soldering process.
  • the adjusting elements 20, 30 designed as comb-like sheet-metal plates are pulled out of the sea belt module 1, the directions of movement of the adjusting means 20, 30 in FIG Fig. 3 and 4 each indicated by a double arrow.
  • the comb-like adjusting means 20, 30 can each be formed from two superimposed comb-like sheet metal plates, the tines 22, 32 are formed slightly narrower than the desired distance of the Seebeckschenkel 10, the two comb-like partial plates of the respective adjusting means 20, 30 are formed against each other displaceable. In the retracted state, the partial plates are slightly shifted from each other, so that the position of the seabed leg 10 is thereby narrowed more accurately.
  • the Seebeckschenkelmodul 1 can be removed for further processing.
  • Embodiments of the invention advantageously allow a faster production of Seebeckschenkelmodulen with the predetermined number of Seebeckschenkeln, since only one connection operation or contacting process is required for contacting or connection of the predetermined number of arranged between two ceramic carriers Seebeckschenkeln.
  • embodiments of the seabed leg module produced by the method according to the invention can be used as a function of the operating temperature, for example be used in a thermoelectric generator and / or in a Peltierelementmodul.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Seebeckschenkelmoduls (1) mit einer vorgegebenen Anzahl von zwischen zwei Keramikträgern (16) angeordneten Seebeckschenkeln (10), wobei die Keramikträger (16) zumindest an ihren den Seebeckschenkeln (10) zugewandten Seiten aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen und an diesen Seiten mit von metallischen Verbindern (12) gebildeten Kontaktflächen versehen werden, die über eine Kontaktierschicht (14) mit dem jeweiligen Seebeckschenkel (10) verbunden werden. Erfindungsgemäß wird ein erster Keramikträger (16) mit metallischen Verbindern (12) in eine Werkstückaufnahme eingelegt und mit der vorgegebenen Anzahl von Seebeckschenkeln (10) des Seebeckschenkelmoduls (1) bestückt, auf welche ein zweiter Keramikträger (16) mit metallischen Verbindern (12) aufgesetzt wird, wobei zwischen den einzelnen Seebeckschenkeln (10) und den jeweiligen Kontaktflächen der metallischen Verbinder (12) des ersten und zweiten Keramikträgers (16) Material zur Ausbildung der Kontaktierschichten (14) eingebracht wird, wobei die mit den Keramikträgern (16) und der vorgegebenen Anzahl von Seebeckschenkeln (10) des Seebeckschenkelmoduls (1) bestückte Werkstückaufnahme in eine entsprechende Vorrichtung eingeführt wird, in welcher alle Kontaktschichten (14) des Seebeckschenkelmoduls (1) in einem einzigen Fertigungsprozess fertig gestellt werden.

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Herstellen eines Seebeckschenkelmoduls nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1. Ausführungsformen des mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Seebeckschenkelmoduls können in Abhängigkeit von der Arbeitstemperatur beispielsweise in einem thermoelektrischen Generator und/oder in einem Peltierelementmodul verwendet werden.
  • Derzeit werden in der Automobilindustrie Untersuchungen und Entwicklungen für einen thermoelektrischen Generator durchgeführt, um unter Ausnutzung des Seebeckeffekts aus einem heißen Abgasstrom Strom für das Fahrzeugbordnetz zu gewinnen und dadurch den Gesamtwirkungsgrad des Antriebs mit Verbrennungsmotor zu erhöhen. Zur Herstellung eines solchen thermoelektrischen Generators sind viele Thermoelementpaare elektrisch in Reihe zu verbinden, thermisch anzukoppeln und mechanisch zu befestigen. Die Einzelelemente jedes Thermoelements werden hier im Folgenden als "Seebeckschenkel" bezeichnet, wobei je Thermoelement zwei Schenkel mit unterschiedlich ausgeprägtem Seebeck-Effekt erforderlich sind. Ein Verbund mit einer vorgegebenen Anzahl von solchen Thermoelementpaaren wird als Seebeckschenkelmodul bezeichnet.
  • In der Offenlegungsschrift WO 2007/098736 A2 wird beispielsweise ein Verfahren zum Herstellen von Peltiermodulen mit jeweils mehreren zwischen zwei Substraten angeordneten Peltierelementen beschrieben. Hierbei bestehen die Substrate zumindest an ihren den Peltierelementen zugewandten Seiten aus einem elektrisch isolierenden Material und sind an diesen Oberflächenseiten mit von metallischen Bereichen gebildeten Kontaktflächen versehen, mit denen die Peltierelemente bei der Herstellung mit Anschlussflächen verbunden werden. Hierbei erfolgt die Herstellung der Peltiermodule in der Weise, dass ein in geeigneter Weise hergestellter Peltierwafer in einzelne Peltierelemente zerteilt wird und diese Elemente dann an den Kontaktflächen der Keramiksubstrate über eine der Verbindungen derart befestigt werden, dass über die betreffende Verbindung an jeder Kontaktfläche ein Peltierelement vorgesehen ist und zwar an sämtlichen Kontaktflächen jeweils eines Keramik-Substrats jeweils in der selben elektrischen Orientierung bzw. mit dem selben Pol. Jeweils zwei so mit Peltierelementen vorbestückte Keramik-Substrate werden dann entsprechend aufeinander gesetzt, so dass die Peltierelemente über die Kontaktflächen elektrisch in Serie liegen. Durch eine auf die freien Enden oder Anschlussseiten der Peltierelemente aufgebrachte Lotschicht werden die Peltierelemente an jedem Keramiksubstrat mit ihrer bis dahin freiliegenden, nicht kontaktierten Anschlussseiten mechanisch sowie elektrisch mit jeweils einer Kontaktfläche an dem jeweils anderen KeramikSubstrat verbunden. Bei dem beschriebenen Verfahren sind somit mindestens drei Lötverfahren erforderlich, um die Peltiermodule aus den Peltierelementen und den Keramik-Substraten herzustellen.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Seebeckschenkelmoduls mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass ein Seebeckschenkelmodul mit einer vorgegebenen Anzahl von zwischen zwei Keramikträgern angeordneten Seebeckschenkeln in einem einzigen Vorgang miteinander kontaktiert bzw. verbunden werden. Das bedeutet, dass die jeweiligen Seebeckschenkel jeweils über eine korrespondierende Kontaktschicht gleichzeitig mit Kontaktflächen von metallischen Verbindern eines ersten und eines zweiten Keramikträgers kontaktiert bzw. verbunden werden. Hierbei bestehen die Keramikträger zumindest an ihren den Seebeckschenkeln zugewandten Seiten aus einem elektrisch isolierenden Material auf welche die metallischen Verbinder angeordnet sind. Zur Herstellung der Verbindung wird der erste Keramikträger mit den metallischen Verbindern in eine Werkstückaufnahme eingelegt und mit der vorgegebenen Anzahl von Seebeckschenkeln bestückt, auf welche der zweiter Keramikträger mit den metallischen Verbindern aufgesetzt wird, wobei zwischen den einzelnen Seebeckschenkeln und dem ersten und zweiten Keramikträger Material zur Ausbildung der Kontaktierschichten eingebracht wird. Die mit den Keramikträgern und der vorgegebenen Anzahl von Seebeckschenkeln des Seebeckschenkelmoduls bestückte Werkstückaufnahme wird in eine entsprechende Vorrichtung eingeführt, in welcher alle Kontaktschichten des Seebeckschenkelmoduls in einem einzigen Fertigungsprozess fertig gestellt werden. Ausführungsformen eines durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Seebeckschenkelmoduls können in Abhängigkeit von der Arbeitstemperatur beispielsweise in einem thermoelektrischen Generator und/oder in einem Peltierelementmodul verwendet werden.
  • Durch Ausführungsformen der Erfindung werden metallisch an den Stirnseiten kontaktierbare Seebeckschenkel mit den als Brücken ausgeführten metallischen Verbindern niederohmig kontaktiert und dadurch elektrisch in Reihe geschaltet. Die verschiedenen metallischen Verbinder sind elektrisch gegeneinander und nach "oben" bzw. "unten" isoliert, wobei die elektrische Isolation thermisch gut leitend ausgeführt ist. Die metallischen Verbinder können beispielsweise über ein Standardverfahren der Dickschichttechnik, wie beispielsweise ein Siebdruckverfahren auf die Keramikträger aufgebracht werden. Das jeweilige Seebeckschenkelmodul wird in einem thermoelektrischen Generator auf der heißen Seite typischer Weise mit ca. 600°C und auf der kalten Seite mit ca. 100°C betrieben. Dabei ist die mögliche Betriebstemperatur der heißen Seite des thermoelektrischen Generators von den eingesetzten Materialen für die Seebeckschenkel abhängig.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrens zum Herstellen eines Seebeckschenkelmoduls möglich.
  • In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Kontaktierschichten des Seebeckschenkelmoduls in der entsprechenden Vorrichtung beispielsweise durch Sintern hergestellt werden. Dadurch werden die Seebeckschenkel elektrisch, mechanisch und thermisch mit den Keramikträgern verbunden.
  • Alternativ können die Kontaktierschichten des Seebeckschenkelmoduls in der entsprechenden Vorrichtung durch Löten hergestellt werden. Der Lötvorgang kann beispielsweise in einem Durchlaufofen oder von einer Kontaktlötvorrichtung ausgeführt werden. Bei einem Kontaktlötvorgang können die Heizflächen maschinell auf den gewünschten Abstand gebracht werden, so dass die Dicke des Seebeckschenkelmoduls sehr gut definiert ist. In vorteilhafter Weise kann der Kontaktlötvorgang schnell ausgeführt werden, da die Wärmeübertragung durch einen Kontakt erfolgt und nicht durch Gas wie im Durchlaufofen.
  • In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Oberflächen der metallischen Verbinder und/oder der Seebeckschenkel vor dem Einbringen in die Werkstückaufnahme veredelt, um die elektrischen und/oder thermischen Eigenschaften in vorteilhafter Weise zu verbessern.
  • In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Seebeckschenkel des Seebeckschenkelmoduls vorbestückt in einem entsprechenden Magazin bereitgestellt und gemeinsam in die Werkstückaufnahme eingelegt werden, um das Bestücken der Werkstückaufnahme mit allen Seebeckschenkeln des Seebeckschenkelmoduls zu beschleunigen. Alternativ kann das Bestücken der Seebeckschenkel sequenziell mit aus der SMD-Montage bekannten Standardbestückern erfolgen.
  • Besonders vorteilhaft ist, dass nach dem Einlegen des ersten Keramikträgers Justiermittel in die Werkstückaufnahme eingelegt werden, welche eine Matrix mit Öffnungen für die vorgegebene Anzahl von Seebeckschenkeln des Seebeckschenkelmoduls ausbilden. Durch die Justiermittel können die einzelnen Seebeckschenkel in vorteilhafter Weise gegen Umfallen gesichert werden. Die Justiermittel werden als Hilfswerkzeug nur für den Herstellprozess verwendet und hinterher aus dem Seebeckschenkelmodul entfernt. Die Justiermittel werden beispielsweise als kammartige Blechplatten ausgeführt, welche nach dem Herstellungsprozess einfach und schnell aus dem Seebeckschenkelmodul gezogen werden können. Um das Ein- und Ausfahren der Justiermittel zu erleichtern, werden die Zinken der Justiermittel etwas schmaler als der Sollabstand der Seebeckschenkel ausgebildet, wobei mindestens zwei Justiermittel mit einem Winkel von 90° zueinander und in z-Richtung übereinander angeordnet werden, und wobei die beiden kammartigen Justiermittel in x- und/oder y-Richtung mechanisch verschoben werden, um die Seebeckschenkel des Seebeckschenkelmoduls auszurichten.
  • In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die kammartigen Justiermittel jeweils aus zwei übereinander liegenden kammartigen Teilblechplatten gebildet, deren Zinken etwas schmaler als der Sollabstand der Seebeckschenkel ausgebildet werden, wobei die beiden kammartigen Teilplatten der jeweiligen Justiermittel gegeneinander verschiebbar ausgebildet werden. Im eingefahrenen Zustand werden die Teilplatten etwas gegeneinander verschoben, so dass die Position der Seebeckschenkel dadurch genauer eingegrenzt werden kann. Beim Ein- und Ausfahren der Justiermittel liegen beide Teilblechplatten genau übereinander, sodass die Zinken verschmälert sind und leicht bewegt werden können. Dadurch kann eine Klemmneigung der Justiermittel in vorteilhafter Weise reduziert werden.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
    • Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines Seebeckschenkelmodul, das gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.
    • Figur 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des in Fig. 1 dargestellten Ausschnitts des Seebeckschenkelmodul während des Herstellungsprozesses.
    • Figur 3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie III - III aus Fig. 2.
    • Figur 4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie IV - IV aus Fig. 2.
    Ausführungsformen der Erfindung
  • Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, umfasst ein Seebeckschenkelmodul 1, das in Abhängigkeit von der Arbeitstemperatur beispielsweise in einem thermoelektrischen Generator und/oder in einem Peltierelementmodul verwendet werden kann, eine vorgegebene Anzahl von zwischen zwei Keramikträgern 16 angeordneten Seebeckschenkeln 10, wobei die Keramikträger 16 zumindest an ihren den Seebeckschenkeln 10 zugewandten Seiten aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen und an diesen Seiten mit von metallischen Verbindern 12 gebildeten Kontaktflächen versehen sind, die über eine Kontaktierschicht 14 mit dem jeweiligen Seebeckschenkel 10 verbunden sind. Die metallischen Verbinder 12 können beispielsweise durch ein DBC-Verfahren (DBC: Direct Bonded Copper) oder durch Standard-Dichtschichtverfahren mit Silber und Nickelplating oder mit Kupfer ausgebildet werden.
  • Erfindungsgemäß wird zur Herstellung des Seebeckschenkelmoduls 1 ein erster Keramikträger 16 mit den metallischen Verbindern 12 in eine Werkstückaufnahme eingelegt und mit der vorgegebenen Anzahl von Seebeckschenkeln 10 bestückt. Auf der vorgegebenen Anzahl von Seebeckschenkeln 10 wird ein zweiter Keramikträger 16 mit den metallischen Verbindern 12 aufgesetzt, wobei zwischen den einzelnen Seebeckschenkeln 10 und den jeweiligen Kontaktflächen der metallischen Verbinder 12 des ersten und zweiten Keramikträgers 16 Material zur Ausbildung der Kontaktierschichten 14 eingebracht wird. Anschließend wird die mit den Keramikträgern 16 und der vorgegebenen Anzahl von Seebeckschenkeln 10 des Seebeckschenkelmoduls 1 bestückte Werkstückaufnahme in eine entsprechende Vorrichtung eingeführt, in welcher alle Kontaktschichten 14 des Seebeckschenkelmoduls 1 in einem einzigen entsprechenden Fertigungsprozess fertig gestellt werden. So können die Kontaktierschichten 14 des Seebeckschenkelmoduls 1 beispielsweise durch Sintern und/oder durch Löten hergestellt werden. Der Sinterprozess und/oder Lötprozess können in einem Durchlaufofen durchgeführt werden. Alternativ kann der Lötprozess von einer Kontaktlötvorrichtung ausgeführt werden. Beim "Kontaktlötvorgang" können die Heizflächen maschinell auf den gewünschten Abstand gebracht werden, so dass die Dicke des Moduls sehr gut definiert ist. Zudem kann der Lötprozess schnell ausgeführt werden, da die Wärmeübertragung durch einen Kontakt erfolgt und nicht durch Gas wie beim Durchlaufofen.
  • Je nach dem nachfolgenden Verbindungsprozess können Sintermaterialien oder Lötmaterialien zur Ausbildung der Kontaktschichten 14 zwischen den Seebeckschenkeln 10 und den metallischen Verbindern 12 angeordnet werden. Des Weiteren können die Oberflächen der metallischen Verbinder 12 und/oder der Seebeckschenkel 10 vor dem Einbringen in die Werkstückaufnahme veredelt werden, um die elektrischen und/oder thermischen Eigenschaften der Kontaktierung bzw. Verbindung zu verbessern. Das Bestücken der nicht dargestellten Werkstückaufnahme mit der vorgegebenen Anzahl von Seebeckschenkeln 10 des Seebeckschenkelmoduls 1 kann mit Standardbestückern, welche in bekannter Weise für die SMD-Montage eingesetzt werden, beispielsweise sequenziell erfolgen. Zur Beschleunigung dieses Arbeitsschritts kann die vorgegebene Anzahl von Seebeckschenkeln 10 des Seebeckschenkelmoduls 1 auch vorbestückt in einem entsprechenden Magazin bereitgestellt und dann gleichzeitig bestückt werden.
  • Wenn die Seebeckschenkel 10 deutlich dicker sind als breit und lang, besteht die Gefahr des Umfallens. Dies kann durch in Fig. 2 bis 4 dargestellte erste und/oder zweite Justiermittel 20, 30 verhindert werden.
  • Wie aus Fig. 2 bis 4 ersichtlich ist, bilden die in die Werkstückaufnahme eingelegten Justiermittel 20, 30 eine Matrix mit Öffnungen für die vorgegebene Anzahl von Seebeckschenkeln 10 des Seebeckschenkelmoduls 1 aus. Wie aus Fig. 3 und 4 ersichtlich ist, sind die Justiermittel 20, 30 als kammartige Blechplatten ausgeführt, welche nach dem Herstellungsprozess aus dem Seebeckschenkelmodul 1 gezogen werden. Hierbei sind Zinken 22, 32 der Justiermittel 20, 30 etwas schmaler als der Sollabstand der Seebeckschenkel 10 ausgebildet, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei als kammartige Blechplatten ausgeführte Justiermittel 20, 30 mit einem Winkel von 90° zueinander und in z-Richtung übereinander angeordnet sind. Die beiden kammartigen Justiermittel 20, 30 können in x- und/oder y-Richtung mechanisch verschoben werden, um die Seebeckschenkel 10 entsprechend auszurichten.
  • Erfindungsgemäß findet der einzige Fertigungsprozess der Kontaktschichten 14 des Seebeckschenkelmoduls 1 in einer einzigen Vorrichtung statt. Hierbei wird bei der Verwendung einer Lötvorrichtung der untere Keramikträger 16 mit Lotpaste bedruckt und in die Werkstückaufnahme eingelegt. Anschließend werden die als kammartige Blechplatten ausgeführten Justiermittel 20, 30 zusammen geschoben, so dass die Matrix mit Öffnungen für die Seebeckschenkel 10 entsteht und sich richtig justiert über dem unteren Keramikträger 16 befindet. Anschlieβend wird die vorgegebene Anzahl von Seebeckschenkel 10 des Seebeckschenkelmoduls 1 in die Öffnungen eingesetzt, wobei das Bestücken der Seebeckschenkel 10 sequenziell mit aus der SMD-Montage bekannten Standardbestückern erfolgen kann. Wie oben bereits ausgeführt ist, kann die vorgegebene Anzahl von Seebeckschenkeln des Seebeckschenkelmoduls zur Beschleunigung dieses Arbeitsschritts auch vorbestückt in einem entsprechenden Magazin bereitgestellt und gleichzeitig bestückt werden. Anschließend wird der obere Keramikträger 16 mit Lotpaste bedruckt und über Kopf gedreht auf die Seebeckschenkel 10 aufgesetzt. Dann werden von oben und unten beheizte metallische Stempel mit den Keramikträgern 16 in Kontakt gebracht und dadurch die einzelnen Komponenten in einem einzigen Fertigungsprozess miteinander verlötet, wobei der Sollabstand über ein Anschlagssystem sichergestellt werden kann. Die Dauer des Lötprozesses mit Aufheizen und Abkühlen ist wegen des Kontaktlötvorgangs gering. Dann werden die als kammartige Blechplatten ausgeführten Justierelemente 20, 30 aus dem Seebeckschenkelmodul 1 herausgezogen, wobei die Bewegungsrichtungen der Justiermittel 20, 30 in Fig. 3 und 4 jeweils durch einen Doppelpfeil angezeigt werden. Sollte das System beim Herausziehen der Justiermittel 20, 30 zum Klemmen neigen, können die kammartigen Justiermittel 20, 30 jeweils aus zwei übereinander liegenden kammartigen Teilblechplatten gebildet werden, deren Zinken 22, 32 etwas schmaler als der Sollabstand der Seebeckschenkel 10 ausgebildet werden, wobei die beiden kammartigen Teilplatten der jeweiligen Justiermittel 20, 30 gegeneinander verschiebbar ausgebildet werden. Im eingefahrenen Zustand werden die Teilplatten etwas gegeneinander verschoben, so dass die Position der Seebeckschenkel 10 dadurch genauer eingegrenzt ist. Beim Ein- und Ausfahren der Justiermittel 20, 30 werden die beiden Teilplatten so verschoben, dass sie genau übereinander liegen und die Zinken verschmälert sind und leicht bewegt werden können. Abschließend kann das Seebeckschenkelmodul 1 zur Weiterverarbeitung entnommen werden.
  • Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen in vorteilhafter Weise eine schnellere Fertigung von Seebeckschenkelmodulen mit der vorgegebenen Anzahl von Seebeckschenkeln, da zur Kontaktierung bzw. Verbindung der vorgegebenen Anzahl von zwischen zwei Keramikträgern angeordneten Seebeckschenkeln nur ein Verbindungsvorgang bzw. Kontaktiervorgang erforderlich ist. Zudem können Ausführungsformen des mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Seebeckschenkelmoduls in Abhängigkeit von der Arbeitstemperatur beispielsweise in einem thermoelektrischen Generator und/oder in einem Peltierelementmodul verwendet werden.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Seebeckschenkelmoduls mit einer vorgegebenen Anzahl von zwischen zwei Keramikträgern (16) angeordneten Seebeckschenkeln (10), wobei die Keramikträger (16) zumindest an ihren den Seebeckschenkeln (10) zugewandten Seiten aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen und an diesen Seiten mit von metallischen Verbindern (12) gebildeten Kontaktflächen versehen werden, die über eine Kontaktierschicht (14) mit dem jeweiligen Seebeckschenkel (10) verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Keramikträger (16) mit metallischen Verbindern (12) in eine Werkstückaufnahme eingelegt und mit der vorgegebenen Anzahl von Seebeckschenkeln (10) des Seebeckschenkelmoduls (1) bestückt wird, auf welche ein zweiter Keramikträger (16) mit metallischen Verbindern (12) aufgesetzt wird, wobei zwischen den einzelnen Seebeckschenkeln (10) und den jeweiligen Kontaktflächen der metallischen Verbinder (12) des ersten und zweiten Keramikträgers (16) Material zur Ausbildung der Kontaktierschichten (14) eingebracht wird, wobei die mit den Keramikträgern (16) und der vorgegebenen Anzahl von Seebeckschenkeln (10) des Seebeckschenkelmoduls (1) bestückte Werkstückaufnahme in eine entsprechende Vorrichtung eingeführt wird, in welcher alle Kontaktschichten (14) des Seebeckschenkelmoduls (1) in einem einzigen Fertigungsprozess fertig gestellt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierschichten (14) in der entsprechenden Vorrichtung durch Sintern gefertigt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierschichten (14) in der entsprechenden Vorrichtung durch Löten gefertigt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lötvorgang in einem Durchlaufofen oder von einer Kontaktlötvorrichtung ausgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der metallischen Verbinder (12) und/oder der Seebeckschenkel (10) vor dem Einbringen in die Werkstückaufnahme veredelt werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Anzahl von Seebeckschenkeln (10) des Seebeckschenkelmoduls (1) vorbestückt in einem entsprechenden Magazin bereitgestellt und gemeinsam in die Werkstückaufnahme eingelegt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einlegen des ersten Keramikträgers (16) Justiermittel (20, 30) in die Werkstückaufnahme eingefahren werden, welche eine Matrix mit Öffnungen für die vorgegebene Anzahl von Seebeckschenkeln (10) des Seebeckschenkelmoduls (1) ausbilden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Justiermittel (20, 30) als kammartige Blechplatten ausgeführt werden, welche nach dem Herstellungsprozess aus dem Seebeckschenkelmodul (1) gezogen werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass Zinken (22, 32) der Justiermittel (20, 30) etwas schmaler als der Sollabstand der Seebeckschenkel (10) ausgebildet werden, wobei mindestens zwei Justiermittel (20, 30) mit einem Winkel von 90° zueinander und in z-Richtung übereinander angeordnet werden, wobei die beiden kammartigen Justiermittel (20, 30) in x- und/oder y-Richtung mechanisch verschoben werden, um die vorgegebene Anzahl von Seebeckschenkeln (10) auszurichten.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die kammartigen Justiermittel (20, 30) jeweils aus zwei übereinander liegenden kammartigen Teilblechplatten gebildet werden, deren Zinken (22, 32) etwas schmaler als der Sollabstand der Seebeckschenkel (10) ausgebildet werden, wobei die beiden kammartigen Teilplatten der jeweiligen Justiermittel (20, 30) gegeneinander verschiebbar ausgebildet werden.
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